海洋短波組網(wǎng)通信自動(dòng)選頻

周相成，吉 彬，胡 飛

海洋短波組網(wǎng)通信自動(dòng)選頻

周相成，吉 彬，胡 飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

【】快速、準(zhǔn)確地選出海洋短波組網(wǎng)通信的可通頻率。在現(xiàn)有信道設(shè)備具有全頻段信號(hào)捕獲與接收處理能力的基礎(chǔ)上，以實(shí)時(shí)頻率質(zhì)量探測(cè)結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)連通性為選頻依據(jù)，設(shè)計(jì)一種全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參與的短波全頻段自動(dòng)選頻方案。通過(guò)仿真驗(yàn)證，該方案可以高效地為所有參與組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)選出可用的頻率。該方案可有效解決海洋短波組網(wǎng)通信系統(tǒng)的選頻問(wèn)題，確保短波通信在船舶遠(yuǎn)洋航行、海洋石油開(kāi)采以及海難救災(zāi)搶險(xiǎn)等工作中能夠穩(wěn)定的發(fā)揮信息保障作用。

短波通信；頻率探測(cè)；自動(dòng)選頻

隨著我國(guó)對(duì)海洋權(quán)益的日益重視，海洋運(yùn)輸事業(yè)不斷發(fā)展，數(shù)十萬(wàn)中國(guó)運(yùn)輸船舶航行于世界各地，日益頻繁的海上活動(dòng)使得海洋通信的需求急劇增加[1]。海洋通信主要手段是短波通信和衛(wèi)星通信。由于衛(wèi)星通信前期發(fā)射和后期維護(hù)等技術(shù)要求高、成本大，無(wú)法滿(mǎn)足大眾對(duì)海事通信的需求。而短波通信傳輸距離遠(yuǎn)、設(shè)備簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、抗毀性強(qiáng)，從而常在遠(yuǎn)洋通信、海難救援以及軍事通信等方面發(fā)揮重要作用[2-3]。

短波信道條件惡劣，海洋空間環(huán)境也復(fù)雜多變，導(dǎo)致海洋短波通信可靠性不高[4-5]。而短波組網(wǎng)和頻率選擇是提高海洋短波通信可靠性的重要手段[6-7]。短波組網(wǎng)方面，各國(guó)構(gòu)建了多種短波網(wǎng)絡(luò)，包括美國(guó)短波全球通信網(wǎng)（HFGCS），海警短波通信網(wǎng)（COTHEN）以及澳大利亞的現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)（MHFCS）等[8]。隨著短波組網(wǎng)的不斷向前發(fā)展，短波選頻也從之前的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)選頻問(wèn)題擴(kuò)展到組網(wǎng)選頻問(wèn)題。早期短波選頻主要依靠頻率預(yù)測(cè)、人工選頻等手段[9-11]，但這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且準(zhǔn)確性不高[12-13]。美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B提出一種針對(duì)固定頻率組進(jìn)行頻率質(zhì)量探測(cè)的實(shí)時(shí)頻率質(zhì)量探測(cè)排序機(jī)制[14]，但該方法需要為全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃和下發(fā)探測(cè)頻率集，存在規(guī)劃時(shí)間長(zhǎng)、操作復(fù)雜、選頻效率低、選出可通頻率的概率不高等問(wèn)題[15]。近年，美國(guó)繼續(xù)開(kāi)展動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)的第4代短波自動(dòng)鏈路建立（4G-ALE）標(biāo)準(zhǔn)化工作[16]，實(shí)現(xiàn)全頻段占用快速檢測(cè)和感知、全頻段信號(hào)捕獲實(shí)現(xiàn)快速建鏈。短波選頻技術(shù)體制不斷衍進(jìn)，短波自動(dòng)選頻建鏈技術(shù)也迅速發(fā)展[17-19]，但更多是聚焦于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)選頻方面的應(yīng)用，相比之下，短波組網(wǎng)選頻的研究較少。

在現(xiàn)有信道設(shè)備具有全頻段信號(hào)捕獲與接收處理能力的基礎(chǔ)上，筆者提出一種適用于海洋短波組網(wǎng)通信系統(tǒng)的自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)選頻新技術(shù)，選頻功能可以在網(wǎng)內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行，無(wú)需人工干預(yù)，使用方便且選頻效率較高，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1 新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)

為解決海洋短波組網(wǎng)通信系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)頻率選擇問(wèn)題，本研究提出一種新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)，其以實(shí)時(shí)頻率質(zhì)量探測(cè)結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)連通性為選頻依據(jù)。網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性探測(cè)消息交互，計(jì)算頻率質(zhì)量并獲知鏈路狀態(tài)信息，再基于頻率質(zhì)量和鏈路狀態(tài)信息構(gòu)建路由表；當(dāng)節(jié)點(diǎn)有信息待發(fā)送時(shí)，通過(guò)路由表查找轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)及可用頻率。

基于全頻段接收的新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)，可在短波頻段任意頻率上發(fā)起選頻過(guò)程。新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)選頻所需的探測(cè)頻率集完全由發(fā)起選頻命令的節(jié)點(diǎn)確定，在實(shí)際使用中靈活方便，參與選頻的節(jié)點(diǎn)無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的頻率規(guī)劃和配置，降低了對(duì)操作人員的要求。同時(shí)發(fā)起選頻過(guò)程的節(jié)點(diǎn)還可以根據(jù)本地干擾、坐標(biāo)、當(dāng)前時(shí)間、歷史用頻信息等先驗(yàn)知識(shí)確定本次選頻的頻率集，以提高選頻效率。以下將從選頻流程、時(shí)序、協(xié)議設(shè)計(jì)等方面對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)進(jìn)行闡述。

1.1 選頻思路

假定一個(gè)短波網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)通信，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)內(nèi)地址為0~(N-1)。設(shè)置其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)為選頻過(guò)程發(fā)起節(jié)點(diǎn)（可以是短波網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)），其余節(jié)點(diǎn)為選頻過(guò)程參與節(jié)點(diǎn)。選頻過(guò)程由選頻發(fā)起節(jié)點(diǎn)發(fā)起，網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)收到選頻請(qǐng)求后對(duì)接收頻率進(jìn)行探測(cè)以估計(jì)當(dāng)前頻率的接收質(zhì)量，假定探測(cè)頻率集內(nèi)頻率分別為f1, f2, ..., fn。新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)的選頻流程包括選頻請(qǐng)求、選頻應(yīng)答、質(zhì)量反饋三個(gè)部分，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)選出達(dá)到其它節(jié)點(diǎn)的可用頻率后停止選頻過(guò)程。選頻流程如圖1所示。

圖1 短波網(wǎng)絡(luò)選頻流程

1.2 選頻時(shí)序

選頻發(fā)起節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地干擾、坐標(biāo)、時(shí)間、歷史用頻等信息綜合確定探測(cè)頻率集，該頻率集中的頻率為探測(cè)選頻的可選頻率。選頻發(fā)起節(jié)點(diǎn)收到選頻指令后在第一個(gè)可選頻率上發(fā)送選頻請(qǐng)求，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到選頻請(qǐng)求后依次發(fā)送選頻應(yīng)答，發(fā)送完選頻應(yīng)答后各節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)號(hào)大小依次發(fā)送質(zhì)量反饋，為了使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中緊急業(yè)務(wù)優(yōu)先于選頻過(guò)程執(zhí)行，在每個(gè)頻率探測(cè)的結(jié)尾預(yù)留一個(gè)可以打斷探測(cè)的中斷時(shí)間。第一個(gè)頻率探測(cè)完畢后以相同的流程探測(cè)下一個(gè)頻率，直到網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)形成一跳連通路由或者兩跳連通路由。一跳連通路由指網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都找到了與網(wǎng)內(nèi)其他各節(jié)點(diǎn)的通信頻率；兩跳連通路由指網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都找到了與網(wǎng)內(nèi)其他各節(jié)點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)可通的頻率。選頻時(shí)序如圖2所示。

選頻發(fā)起節(jié)點(diǎn)在發(fā)送選頻探測(cè)請(qǐng)求前需要發(fā)送一個(gè)探測(cè)音，使網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)捕獲當(dāng)前頻率；網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)接收完探測(cè)請(qǐng)求后在當(dāng)前頻率上進(jìn)行集中調(diào)諧，之后按節(jié)點(diǎn)號(hào)大小順序進(jìn)行探測(cè)應(yīng)答和質(zhì)量反饋的發(fā)送。

圖2 短波網(wǎng)絡(luò)選頻時(shí)序

1.3 選頻協(xié)議內(nèi)容

新型短波網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)通過(guò)信息的交互選擇全網(wǎng)連通頻率，設(shè)計(jì)高效的選頻協(xié)議可以快速選出全網(wǎng)連通頻率。由前述可知，本文設(shè)計(jì)的選頻流程中交互的信息主要有選頻請(qǐng)求、選頻應(yīng)答和質(zhì)量反饋，通過(guò)選頻請(qǐng)求啟動(dòng)選頻流程，通過(guò)選頻應(yīng)答估計(jì)頻率的接收質(zhì)量，通過(guò)質(zhì)量反饋交互各節(jié)點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)的頻率質(zhì)量信息，各協(xié)議內(nèi)容如表1所示。

表1 協(xié)議內(nèi)容

2 選頻技術(shù)仿真

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

仿真網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)配置的頻率中當(dāng)有25%、50%、75%的頻率質(zhì)量較差時(shí)，記錄網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)選出1條/2跳連通路由時(shí)所需要花費(fèi)的平均用時(shí)，通過(guò)平均用時(shí)來(lái)代表選頻效率。以8節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信為例，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為0~7，選出各節(jié)點(diǎn)到達(dá)網(wǎng)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)的可用頻率形成一跳/兩跳路由，最終的選頻結(jié)果如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)0選頻結(jié)果

圖3中，節(jié)點(diǎn)0通過(guò)選頻過(guò)程選出到達(dá)網(wǎng)內(nèi)1 ~ 7號(hào)節(jié)點(diǎn)的一跳/兩跳路由，其中到達(dá)1、3、7、2號(hào)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)頻率f1、f3、f3、f2一跳直接到達(dá)，到達(dá)5、6號(hào)節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)3、7號(hào)節(jié)點(diǎn)用頻率f4、f2進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終形成0號(hào)節(jié)點(diǎn)到達(dá)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的全連通路由。

2.2 實(shí)驗(yàn)工具

采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具[20]進(jìn)行新型短波網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)仿真，進(jìn)程模式、節(jié)點(diǎn)模型、網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)成OPNET的基本仿真要素。進(jìn)程模型主要是對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行封包、控制發(fā)送時(shí)序、解析協(xié)議內(nèi)容、執(zhí)行路由收斂算法；節(jié)點(diǎn)模型是獨(dú)立的仿真實(shí)體，對(duì)選頻過(guò)程中節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收、節(jié)點(diǎn)身份定位等行為進(jìn)行模擬；網(wǎng)絡(luò)模型是在一定的范圍內(nèi)分布一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)實(shí)體，模擬實(shí)際的節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系。

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

采用OPNET仿真新型短波網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)確定了一些必要的仿真輸入?yún)?shù)，具體各參數(shù)的輸入值如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.4 仿真結(jié)果

仿真以2.3節(jié)的8節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信為例，測(cè)量的是網(wǎng)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)內(nèi)其他所有節(jié)點(diǎn)的連通性，仿真的選頻時(shí)間定義為選頻發(fā)起節(jié)點(diǎn)選出到達(dá)其他所有節(jié)點(diǎn)的可用頻率的時(shí)間，仿真1 000次，最后取平均選頻時(shí)間。

（1）設(shè)置探測(cè)選頻頻率集中有25%的頻率對(duì)各節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)不可用時(shí)，即表示有75%的頻率可正確接收選頻協(xié)議信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選頻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。對(duì)每次仿真后得到的頻率所用時(shí)間求統(tǒng)計(jì)平均選頻時(shí)間，經(jīng)計(jì)算約為25 s。

（2）設(shè)置探測(cè)選頻頻率集中有50%的頻率對(duì)各節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)不可用時(shí)，即表示有50%的頻率可正確接收選頻協(xié)議信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選頻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。對(duì)每次仿真后得到的頻率所用時(shí)間求統(tǒng)計(jì)平均選頻時(shí)間，經(jīng)計(jì)算約為47 s。

（3）設(shè)置探測(cè)選頻頻率集中有75%的頻率對(duì)各節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)不可用時(shí)，即表示有25%的頻率可正確接收選頻協(xié)議信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選頻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。對(duì)每次仿真后得到的頻率所用時(shí)間求統(tǒng)計(jì)平均選頻時(shí)間，經(jīng)計(jì)算約為155 s。

3 選頻性能分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知選頻頻率集中有25%、50%、75%的頻率不可用時(shí)，選頻時(shí)間分別為25 s、47 s、155 s，三種實(shí)驗(yàn)條件下選頻時(shí)間均在3 min以?xún)?nèi)，對(duì)于8節(jié)點(diǎn)的短波網(wǎng)絡(luò)選頻來(lái)說(shuō)該時(shí)間是可以接受的。網(wǎng)絡(luò)空閑運(yùn)行時(shí)可以周期性啟動(dòng)選頻過(guò)程以對(duì)路由信息進(jìn)行周期性維護(hù)，當(dāng)有業(yè)務(wù)發(fā)送時(shí)可以在中斷時(shí)間內(nèi)中斷當(dāng)前的選頻過(guò)程優(yōu)先發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。選頻維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)可由選頻平均用時(shí)除以選頻周期時(shí)間得到。以15 min為周期啟動(dòng)一次選頻為例，當(dāng)選頻頻率集中有25%、50%、75%的頻率不可用時(shí)，根據(jù)選頻維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)=選頻平均用時(shí)/選頻周期時(shí)間，可以得到選頻維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)分別為2.8%、5.2%、17.2%。從結(jié)果可以看出維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間較少。

圖4 25%的頻率不可用時(shí)的選頻用時(shí)

圖5 50%的頻率不可用時(shí)的選頻用時(shí)

圖6 75%的頻率不可用時(shí)的選頻用時(shí)

4 討論與結(jié)論

由于短波通信便捷靈活、價(jià)格低廉，使其成為了海洋通信的重要手段，它在遠(yuǎn)洋船舶通信、海洋石油開(kāi)采甚至海難救災(zāi)搶險(xiǎn)等工作中都發(fā)揮著重要作用[21-22]。隨著短波通信技術(shù)的不斷發(fā)展，短波通信從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信向多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信的方向發(fā)展，但短波選頻問(wèn)題依然有待解決。早期的頻率預(yù)測(cè)、人工選頻等手段繁瑣復(fù)雜，美軍標(biāo)141B的選頻方法也存在很大的局限性。為了解決短波組網(wǎng)通信選頻問(wèn)題，在現(xiàn)有信道設(shè)備具有全頻段信號(hào)捕獲與接收處理能力的基礎(chǔ)上，提出了一種全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參與的短波全頻段選頻方案。經(jīng)過(guò)仿真后表明該方案具有較高的選頻效率，可在多數(shù)頻率質(zhì)量較差的情況下為各節(jié)點(diǎn)選出到達(dá)網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的可用頻率，這為短波組網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展提供了一種新型選頻技術(shù)思路。

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Automatic Frequency Selection for Marine HF Networking

ZHOU Xiang-cheng，JI Bin，HU Fei

(,610041,)

To effectively select the passable frequency of marine HF network communication.Based on the existing channel equipment with full frequency signal acquisition and reception processing capabilities, and the real-time frequency quality detection results and network connectivity as the basis for frequency selection, a scheme for frequency selection technique of HF involving all network nodes is designed.Through simulation verification, the scheme can efficiently select available frequencies for all nodes participating in the network.This solution can effectively solve the problem of frequency selection of the marine HF networking communication system, which ensures that HF communication can reliably play a role in the ocean voyage of ships, offshore oil exploration, and disaster relief.

HF communication; frequency detection; automatic frequency selection of HF

TN925

A

1673-9159（2020）02-0089-05

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.02.013

2019-11-18

國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（9140C02010814C02006）

周相成（1993－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槎滩ㄍㄐ?。Email: 714237533@qq.com

周相成，吉彬，胡飛. 海洋短波組網(wǎng)通信自動(dòng)選頻[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（2）：89-93.